氣相色譜儀靜態(tài)頂空進樣是將液體或固體樣品溶液密封在一個容器中（平衡瓶即頂空樣品瓶），在一定溫度下（平衡溫度）加熱一段時間（平衡時間），使氣液或氣固兩相達到平衡，然后取氣相部分進入氣相色譜儀進行分析。靜態(tài)頂空進樣又稱平衡頂空進樣或一次氣相萃取進樣。

一、工作原理：

將液體或固體樣品溶液置于一個恒溫密封的頂空樣品瓶中，使其中的揮發(fā)性組分逸出，在達到氣液或氣固分配平衡后，定量采集取氣相部分進入氣相色譜儀進行分析，通過測定樣品基質(zhì)上方的氣體成分來測定這些組分在原樣品中的含量。

設(shè)頂空樣品瓶中裝有的液體樣品的體積為V₀，原始樣品濃度為C₀。當(dāng)在一定溫度下達到氣液平衡時，氣相體積為V_g，氣相中的樣品濃度為C_g；液相體積為V_l，液相中的樣品濃度為C_l。則：

平衡常數(shù)K = C_l/C_g

相比β = V_g/V_l

當(dāng)在一定溫度下達到氣液平衡時，可以認為液體體積不變，即：

V_l = V₀

由于頂空樣品瓶是密封的，樣品不會逸出，所以：

V₀×C₀ = V_l×C₀

= V_g×C_g + V_l×C_l

= V_l×C_g×β + V_l×C_g×K

= V_l×C_g×（K + β）

C₀ = C_g×（K + β）

對于一個給定的平衡系統(tǒng)，在一定條件下，K和β均為常數(shù)，故得：

C_g = C₀×K′

式中：K′= 1/（K + β）也為常數(shù)。

這就是說，在平衡狀態(tài)下，氣相中的樣品濃度C_g與樣品的原始濃度C₀成正比。當(dāng)用氣相色譜儀分析得到C_g后，就可計算出C₀。這就是氣相色譜儀靜態(tài)頂空進樣分析的理論依據(jù)。

二、進樣方式：

靜態(tài)頂空進樣有注射器進樣、平衡式加壓進樣和定量環(huán)加壓進樣等方式。

1、注射器進樣：

由注射器取樣，為了減少揮發(fā)性組分在注射器中的冷凝，一般在注射器的外部套有溫度控制裝置。每次進樣前應(yīng)用氣體清洗進樣器，盡可能消除系統(tǒng)的記憶效應(yīng)。

（1）特點：

適用性廣，易清洗。

壓力難以控制，進樣量準(zhǔn)確度較差。

當(dāng)加熱條件下頂空氣體的壓力太大時，在注射器拔出頂空樣品瓶的瞬間會造成揮發(fā)性組分損失。

適用于香精、香料和煙草等揮發(fā)性含量較大樣品的分析。

（2）注意事項：

1）注射器必須是可加熱的：

樣品由頂空樣品瓶吸出到氣相色譜儀進樣口的過程中，其溫度不能發(fā)生改變。因此，注射器必須是可加熱的，否則將造成樣品在注射器內(nèi)再冷凝。

2）樣品揮發(fā)會影響重現(xiàn)性：

樣品由頂空樣品瓶吸出到氣相色譜儀進樣口的過程中，由于樣品在頂空樣品瓶內(nèi)與常壓下存在壓力差，將造成樣品流失。因此，需將注射器的溫度設(shè)定的比頂空樣品瓶高，這樣可最大限度的減少壓力差所帶來的誤差。

3）交叉污染問題：

在兩次進樣之間持續(xù)通惰性氣體（氮氣或氦氣）吹洗注射器，可避免樣品之間的交叉污染，避免出現(xiàn)鬼峰。

4）注射器與氣相色譜儀進樣口的對準(zhǔn)：

通過精密的步進馬達和先進的位置記憶軟件系統(tǒng)，確保注射器與氣相色譜儀進樣口位置的準(zhǔn)確定位。

2、平衡式加壓進樣：

待樣品中的揮發(fā)性組分達到分配平衡時，對頂空樣品瓶內(nèi)施加一定的氣壓將頂空氣體壓到載氣流中。

平衡式加壓進樣系統(tǒng)的死體積小。

平衡式加壓進樣靠時間程序來控制分析過程，很難計算出具體的進樣量，進樣誤差較大。

3、定量環(huán)加壓進樣：

由定量環(huán)、壓力控制閥和氣體傳輸管路等組成，靠對頂空樣品瓶內(nèi)施加一定的氣壓將頂空氣體壓到六通閥的定量環(huán)中，然后用載氣將定量環(huán)內(nèi)的頂空氣體進到色譜柱中。

具有很好的重現(xiàn)性，適合定量分析。

由于系統(tǒng)管路較長，揮發(fā)性組分易在管壁上吸附，一般將管路加熱到較高的溫度。

三、特點：

1、優(yōu)點：

（1）不需對樣品作復(fù)雜的處理，而直接取其頂空氣體進行分析，大大減少了樣品基質(zhì)對分析的干擾。

（2）采用氣體進樣，分析速度快，靈敏度高。

（3）無溶劑萃取，操作簡便。

（4）有多種模式，適用于多種樣品形態(tài)。

2、缺點：

有時必須進行大體積的氣體進樣，樣品的蒸氣體積過大，揮發(fā)性組分峰初始帶寬較大，影響分離效能。特別是對于組成復(fù)雜的樣品，蒸氣中的大量水分往往有損于色譜柱，限制了氣相色譜儀的使用。

四、影響靜態(tài)頂空進樣分析的因素：

影響靜態(tài)頂空進樣分析的因素有樣品性質(zhì)、樣品量、平衡溫度、平衡時間、頂空樣品瓶和密封蓋等。

1、樣品性質(zhì)：

靜態(tài)頂空進樣分析最大的優(yōu)點是不需對樣品作復(fù)雜的處理，而直接取其頂空氣體進行分析，但樣品性質(zhì)仍然對分析結(jié)果有直接影響。樣品是指置于頂空樣品瓶中的原樣品，而非進入氣相色譜儀的揮發(fā)物，因此，要考慮整個頂空樣品瓶中的樣品性質(zhì)。

（1）氣體樣品：

對于氣體樣品，頂空樣品瓶中只有氣相，沒有凝聚相（液相或固相），與普通氣相色譜分析沒有太大區(qū)別。氣體樣品的采樣溫度和樣品保存溫度可能不同，一般后者低于前者。在相對低溫下保存樣品時，有些組分可能會冷凝，分析時要在平衡溫度下放置一定時間，使樣品達到均勻的氣相，以消除部分組分冷凝帶來的誤差。

（2）液體和固體樣品：

將液體樣品轉(zhuǎn)換為氣體需要一定時間，氣化不完全會使頂空樣品與原樣品的組成不同，從而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，應(yīng)在一定溫度下平衡足夠的時間。

對于液體和固體樣品，頂空樣品瓶中有氣液或氣固兩相，甚至氣液固三相共存。頂空氣體中各組分的含量既與其本身的揮發(fā)性有關(guān)，又與樣品基質(zhì)有關(guān)，特別是在樣品基質(zhì)中溶解度大的組分的基質(zhì)效應(yīng)更為明顯。頂空氣體的組成與原樣品的組成不同，對定量分析的影響尤為嚴(yán)重，標(biāo)準(zhǔn)樣品不能僅用待測物的標(biāo)準(zhǔn)品配制，還必須有與原樣品相同或相似的基質(zhì)。

減少基質(zhì)效應(yīng)的方法有利用鹽析作用、在有機溶劑中加入水、調(diào)節(jié)溶液pH值、粉碎固體樣品和稀釋樣品等。

1）利用鹽析作用：

鹽析是指在水溶液中加入無機鹽來改變揮發(fā)性組分的分配系數(shù)。實驗表明，鹽濃度小于5%時幾乎沒有作用。常用高濃度鹽甚至飽和鹽。

鹽析對極性組分的影響遠大于對非極性組分的影響。

2）在有機溶劑中加入水：

在有機溶劑中加入水（水要與所用有機溶劑相溶），可減小有機物在有機溶劑中的溶解度，增大其在頂空氣體中的含量。

3）調(diào)節(jié)溶液pH值：

對于酸和堿，通過控制溶液pH值可改變其解離度或使其它待測物的揮發(fā)性變得更大些。

4）粉碎固體樣品：

物質(zhì)在固體中的擴散系數(shù)比在液體中小，固體樣品中揮發(fā)物的擴散速度很慢，往往需要很長時間才能達到平衡，盡量用小顆粒的固體樣品有利于縮短平衡時間。

一般的粉碎方法會造成樣品損失，多用冷凍粉碎技術(shù)來制備固體樣品。

用水或有機溶劑浸潤樣品，可減小固體表面對待測物的吸附作用。

5）稀釋樣品：

稀釋樣品是減小基質(zhì)效應(yīng)的常用方法，但會降低分析靈敏度。

2、樣品量：

樣品量是指頂空樣品瓶中的樣品體積。樣品量直接決定相比，對分析結(jié)果影響很大。

樣品性質(zhì)、分析目的和方法是決定樣品量的主要因素。

進樣量是通過進樣時間（壓力平衡系統(tǒng)）或定量管（壓力控制定量管系統(tǒng)）來控制的，它受溫度和壓力等因素的影響。事實上，絕對進樣量沒有多大意義，重要的是進樣量的重現(xiàn)性，只要保證進樣條件重現(xiàn)，就能保證重現(xiàn)的進樣量。即使在定量分析中，一般也不需要知道絕對進樣量。

靜態(tài)頂空進樣分析一般只從一個頂空樣品瓶中取樣一次。做平行實驗時，要制備幾份樣品分別置于不同的頂空樣品瓶中，每份樣品的體積是否重現(xiàn)會影響分析結(jié)果。待測組分的分配系數(shù)越小，樣品體積波動所造成的結(jié)果誤差越大。反之，分配系數(shù)越大，影響越小。實際工作中，樣品的分配系數(shù)往往是未知的，任何時候都應(yīng)盡量使各份樣品的體積一致。

樣品體積還與頂空樣品瓶的容積有關(guān)。樣品體積的上限是頂空樣品瓶容積的80%，以使有足夠的頂空體積便于取樣。常以頂空樣品瓶容積的50%為樣品體積。

3、平衡溫度：

樣品的平衡溫度與蒸氣壓有關(guān)，影響分配系數(shù)。一般來說，平衡溫度越高，蒸氣壓越高，頂空氣體的濃度越高，分析靈敏度越高。待測組分的沸點越低，對溫度越敏感。然而，在靜態(tài)頂空進樣分析中，溫度改變只影響分配系數(shù)，并不影響相比。對于給定的樣品體系，相比是常數(shù)。當(dāng)分配系數(shù)>>相比時，溫度影響非常明顯。當(dāng)分配系數(shù)<<相比時，溫度升高使分配系數(shù)減小，但分配系數(shù)和相比的變化很小，頂空氣體的濃度變化很小。

平衡溫度應(yīng)根據(jù)分析對象選擇。實際工作中，一般在滿足分析靈敏度的條件下選擇較低的平衡溫度。溫度過高可能導(dǎo)致某些組分分解和氧化，使頂空氣體的壓力太高。頂空氣體壓力過高會對下一步加壓提出更高要求，可能引起系統(tǒng)漏氣。

靜態(tài)頂空進樣分析中必須保證溫度重現(xiàn)。除了平衡溫度，取樣管、定量環(huán)以及與氣相色譜儀的連接管路都要嚴(yán)格控制溫度，這些溫度一般要高于平衡溫度，以避免樣品的吸附和冷凝。

4、平衡時間：

平衡時間一般比分析時間長，分析周期主要由平衡時間決定，縮短平衡時間是提高靜態(tài)頂空氣相色譜分析速度的關(guān)鍵。平衡時間本質(zhì)上取決于待測組分分子從樣品基質(zhì)到氣相的擴散速度。擴散速度越快，擴散系數(shù)越大，所需平衡時間越短。

（1）平衡時間的確定：

由于樣品性質(zhì)千差萬別，平衡時間很難預(yù)測，一般通過實驗來測定。在5～10個頂空樣品瓶中裝上同一樣品，每個頂空樣品瓶采用不同的平衡時間，然后進行氣相色譜分析，用待測物的峰面積對平衡時間作圖，可確定所需平衡時間。

平衡時間一般不小于30min，以保證樣品溶液的氣液或氣固兩相有足夠的時間達到平衡。平衡時間也不宜過長，一般不超過60min，否則可能使頂空樣品瓶的氣密性變差，導(dǎo)致定量準(zhǔn)確性降低。

（2）縮短平衡時間的方法：

1）提高溫度：

分子擴散系數(shù)與分子尺寸、介質(zhì)粘度和溫度有關(guān)。溫度越高，粘度越低，擴散系數(shù)越大，提高溫度可縮短平衡時間。

2）減少樣品體積：

氣體樣品或可全部轉(zhuǎn)化為氣體的液體樣品所需平衡時間短些。液體樣品的平衡時間除了與樣品性質(zhì)和溫度有關(guān)，還與樣品體積有關(guān)。樣品體積越大，所需平衡時間越長。而樣品體積又與分析靈敏度要求有關(guān)。對于分配系數(shù)小的組分，加大樣品體積可大大提高分析靈敏度，但所需平衡時間增加。對于分配系數(shù)大的組分，加大樣品體積對提高分析靈敏度甚微，可用小的樣品體積來達到縮短平衡時間的目的。

3）采用重疊平衡：

自動頂空進樣器具有此功能，可預(yù)設(shè)時間程序進行自動分析。

4）攪拌：

實驗表明，對于分配系數(shù)小的樣品，攪拌可使平衡時間縮短一半以上。但對于分配系數(shù)大的樣品，影響小的多。

固體樣品所需平衡時間長，除了提高溫度可縮短平衡時間，減小固體顆粒尺寸和增大比表面可有效縮短平衡時間。將固體樣品溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲谢蛴萌軇┙�潤固體樣品，也可縮短平衡時間。

5、頂空樣品瓶：

頂空樣品瓶大多采用硼硅玻璃材質(zhì)，其惰性能滿足絕大部分樣品的分析。

（1）頂空樣品瓶的要求：

1）體積準(zhǔn)確。

2）能承受一定壓力。

3）密封性能良好。

4）對樣品無吸附作用等。

（2）頂空樣品瓶真實體積的確定：

定量分析時要涉及到相比的準(zhǔn)確值，這就要知道頂空樣品瓶的準(zhǔn)確體積。簡單方法是先用天平稱量空瓶重量，然后充滿水再稱量，根據(jù)水在稱量溫度下的密度，可計算出頂空樣品瓶的準(zhǔn)確體積。對同一批頂空樣品瓶，可準(zhǔn)確測定其中5個的真實體積，用其平均體積作為該批頂空樣品瓶的真實體積。

（3）頂空樣品瓶的選用：

頂空樣品瓶的體積有5～22mL多種。

1）根據(jù)氣相色譜分析要求而定。

2）根據(jù)樣品情況而定。液體樣品多用10mL左右的頂空樣品瓶，因為分析靈敏度取決于待測組分在頂空氣體中的濃度，而不是樣品量。固體樣品因為樣品本身的體積大，要用大些的頂空樣品瓶。

3）根據(jù)色譜柱要求而定。填充柱或毛細管柱分流進樣時，進樣體積一般為0.5～2mL，要用大體積頂空樣品瓶。毛細管柱不分流進樣時，進樣體積一般不超過0.25mL，小體積的頂空樣品瓶足以滿足要求。

（4）頂空樣品瓶的清洗：

頂空樣品瓶最好只用一次。若反復(fù)使用，一定要清潔干凈。清洗方法是先用洗滌劑清洗，然后用蒸餾水清洗，再用純甲醇沖洗，最后置于烘箱中烘干。

6、密封蓋：

頂空樣品瓶的密封蓋由金屬蓋和密封墊組成。

（1）金屬蓋：

金屬蓋有可多次使用的螺旋蓋和一次性使用的壓蓋。目前多采用一次性使用的鋁質(zhì)壓蓋。

（2）密封墊：

密封墊主要采用硅橡膠、氟橡膠和丁基橡膠材質(zhì)。

1）硅橡膠墊：耐高溫性能好。

2）氟橡膠墊：惰性好。為防止密封墊對樣品組分的吸附，目前多用聚四氟乙烯密封墊。

3）丁基橡膠墊：價格低。

密封墊在刺穿一次后可能會漏氣而失去保護作用。在制備樣品時，要將樣品全部加入頂空樣品瓶后再密封。需要從一個頂空樣品瓶多次進樣時，最好連續(xù)進行，不要把扎穿過密封墊的頂空樣品瓶放置一段時間后再用。

五、靜態(tài)頂空進樣分析常用技術(shù)：

靜態(tài)頂空進樣分析常用技術(shù)有多次頂空萃取技術(shù)、反吹技術(shù)、冷凍富集技術(shù)、衍生化反應(yīng)技術(shù)和定量分析技術(shù)等。

1、多次頂空萃取技術(shù)：

靜態(tài)頂空進樣一般只對一個樣品取樣一次。如果在第一次取樣后，讓樣品在相同條件下再達到平衡，進行第二次取樣，由于已取了一次樣，盡管分配系數(shù)保持不變，整個樣品的組成已發(fā)生了變化，第二次頂空氣體的組成與第一次不同，第二次分析所得相同組分的峰面積會比第一次小。因此，作重復(fù)進樣分析時，最好同時用幾個頂空樣品瓶，每個頂空樣品瓶進樣一次。

若從另一個角度看問題，從同一頂空樣品瓶重復(fù)取樣進行分析，原樣品中待測組分的濃度會逐次減小，直到最后被完全萃取。這樣，每次分析所得峰面積之和就對應(yīng)原樣品中該組分的總濃度。由于待測組分最后被完全萃取，不會有樣品基質(zhì)效應(yīng)影響分析。這是多次頂空萃取技術(shù)的基本思路。

采用多次頂空萃取技術(shù)將樣品中的待測組分全部萃取完，時間會相當(dāng)長。多次頂空萃取技術(shù)可用于定量分析，多用于理論研究。

2、反吹技術(shù)：

反吹技術(shù)是改變氣相色譜柱中的載氣流動方向，將柱頭滯留的高沸點和極性組分吹出色譜柱。反吹技術(shù)在靜態(tài)頂空進樣分析中很重要，可縮短分析時間，保護色譜柱。

靜態(tài)頂空進樣的分析對象多為易揮發(fā)組分，當(dāng)對高沸點組分不感興趣時，可采取反吹技術(shù)將其放空。在固體樣品的分析中，所用溶劑或分散劑常比待測組分沸點高，采用反吹技術(shù)可消除這些溶劑峰。

3、冷凍富集技術(shù)：

當(dāng)頂空氣體中待測組分的濃度太低（可能由于原樣品的濃度太低，也可能由于組分的蒸氣壓太低）或檢測器靈敏度不能滿足分析要求，需要加大進樣體積時，冷凍富集技術(shù)是靜態(tài)頂空進樣分析常用的提高靈敏度的方法。

冷凍富集技術(shù)與冷柱上進樣中的冷凍聚焦技術(shù)類似，不同之處是頂空樣品是氣體，冷阱的作用主要是使這些氣體冷凝而富集。冷凍富集主要用于毛細管柱靜態(tài)頂空進樣分析，方法是用液氮或液態(tài)二氧化碳使柱箱、色譜柱或色譜柱入口端的一段處于低溫，當(dāng)大體積的頂空氣體進入色譜柱時先冷凝下來，然后升高柱溫使之氣化，使初始樣品譜帶變窄，從而消除大體積氣體很容易使色譜柱超載的問題。通常毛細管柱頂空進樣體積為0.25mL左右，采用冷凍富集技術(shù)后，進樣體積可達1～2mL，使分析靈敏度提高。

4、衍生化反應(yīng)技術(shù)：

靜態(tài)頂空進樣分析可用于監(jiān)測產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物的反應(yīng)。通過某些化學(xué)反應(yīng)將極性、不揮發(fā)或難揮發(fā)的組分變成揮發(fā)性組分，然后用氣相色譜靜態(tài)頂空進樣進行分析。在靜態(tài)頂空進樣分析中，頂空樣品瓶就是一個反應(yīng)器，只要將反應(yīng)試劑和必要的催化劑加入到頂空樣品瓶中，控制溫度和反應(yīng)時間，可實現(xiàn)在線反應(yīng)靜態(tài)頂空進樣分析。

5、定量分析技術(shù)：

原則上講，氣相色譜所用的定量方法包括歸一化法、內(nèi)標(biāo)法和外標(biāo)法均可用于氣相色譜頂空進樣分析。但由于氣相色譜頂空進樣分析主要用于液體或固體樣品中揮發(fā)性組分的分析，故歸一化法極少使用，除非樣品為氣體或可全部氣化并用氣相色譜分析。外標(biāo)法和內(nèi)標(biāo)法共同的問題是基質(zhì)效應(yīng)。在外標(biāo)法中，用于測定校正因子的標(biāo)準(zhǔn)樣品必須與實際樣品的基質(zhì)相同，這可通過“空白”標(biāo)樣制備來實現(xiàn)。在內(nèi)標(biāo)法中，基質(zhì)效應(yīng)可通過樣品稀釋來消除，所選用內(nèi)標(biāo)物的理化性質(zhì)應(yīng)盡可能接近待測物而使基質(zhì)效應(yīng)保持一致。

為了保持標(biāo)準(zhǔn)樣品和實際樣品的基質(zhì)的一致性，氣相色譜頂空進樣分析常采用標(biāo)準(zhǔn)加入法定量，即在待測樣品中加入已知量的待測物的標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過比較標(biāo)準(zhǔn)加入前后峰面積的變化來計算實際樣品中待測物的濃度，這樣基質(zhì)就完全一致了。但要注意，在樣品中加入待測物的標(biāo)準(zhǔn)溶液后，樣品的體積會發(fā)生變化而影響相比。因此，在不加標(biāo)準(zhǔn)溶液的樣品中也應(yīng)加入相同體積的溶劑，以確保樣品體積的一致。

六、應(yīng)用：

適用于揮發(fā)性組分含量較大的樣品的分析。

主要用于在200℃以下可揮發(fā)和比較難預(yù)處理的樣品分析。

特別適合樣品中低沸點組分的分析。

如果樣品中待分析組分的含量不是很低，較少的氣體進樣量可滿足分析需要，水分又不是很高時，氣相色譜儀靜態(tài)頂空進樣分析是一種非常簡便而有效的分析方法。

   

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